Темная материя может иметь свою периодическую таблицу элементов

Согласно новому исследованию, Вселенная могла произвести темную материю в первые несколько минут после Большого взрыва. Эти частицы затем попали в сверхплотные карманы. Некоторые из этих карманов раскололись и превратились в черные дыры, которые затем растворились в потоке множества «видов» частиц темной материи, создав «периодическую таблицу темной материи» невидимых элементов, предполагают авторы исследования.

Физики все еще пытаются объяснить темную материю — загадочную, невидимую форму материи, которая составляет подавляющую часть массы Вселенной.

Хотя космологи и астрономы выявили косвенные доказательства существования темной материи, от скорости вращения звезд внутри галактик до крупнейших структур, видимых в космосе, они не определили, что именно представляет собой темная материя.

Предыдущая работа предполагала, что темная материя проста: это один вид чрезвычайно легких частиц, наводняющих Вселенную, которые почти никогда не взаимодействуют с обычной материей.

Но интенсивные поиски новых таких частиц оказались тщетными. Это заставило ученых задаться вопросом, могут ли частицы темной материи быть намного более редкими, но при этом намного более тяжелыми. Однако физики-теоретики изо всех сил пытались найти модели, которые засеяли бы раннюю Вселенную нужным количеством таких тяжелых частиц.

В новом исследовании, опубликованном в базе препринтов arXiv, группа ученых нашла способ генерировать массивные частицы темной материи вскоре после Большого взрыва. Хитрость заключалась в том, чтобы разбросать черные дыры.

В документе отмечается, что ранняя Вселенная претерпела серьезные фазовые переходы, когда силы природы отделились друг от друга, превратившись из единой силы в четыре фундаментальные силы сегодняшнего дня. При каждом переходе основная физика менялась.

Это не так странно, как может показаться, поскольку ученые могут воспроизвести последний из этих переходов в ускорителях частиц: при достаточно высоких энергиях, воссоздавая первые несколько секунд Большого взрыва, можно наблюдать, как электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия сливаются в одно.

Исследователи обнаружили, что сверхтяжелая темная материя могла попасть в ловушку во время одного из этих фазовых переходов ранней Вселенной. Если бы переход был беспорядочным, это вызвало бы образование пузырей, когда некоторые области Вселенной перешли к новой физике, в то время как остальные еще не внесли изменений (например, кипение воды, когда газовая фаза воды, заключенная в пузырьки, окружена жидкостью).

В их модели самая ранняя темная материя была легкой, а темная материя более поздних периодов — тяжелой. В этом сценарии темная материя оказывается в ловушке внутри пузырей, где плотность резко возрастает до такой степени, что вся темная материя коллапсирует и образует черные дыры.

Эти черные дыры вскоре испаряются из-за излучения Хокинга, при котором излучение медленно «утекает» из черных дыр в виде тепловой энергии, задолго до появления нормальной материи.

Но по мере того, как черные дыры испаряются, темная материя возвращается, поскольку черные дыры выбрасывают новые частицы темной материи, прежде чем исчезнуть, как показала модель ученых. Такой умный механизм ограничивает общее количество массивной темной материи во Вселенной, потому что только определенное ее количество может покинуть черные дыры, прежде чем они полностью испарятся.

Процесс испарения также генерирует множество видов частиц темной материи. Хотя все частицы темной материи имеют много общих характеристик (например, почти полную невидимость), они различаются по массе, скорости и способам взаимодействия с обычной материей.

В новой модели темная материя представляет собой обширную коллекцию различных видов частиц, подобно тому, как нормальная материя состоит из всей периодической таблицы элементов.

Экспериментальное подтверждение этой идеи еще далеко, поскольку на данный момент это глубоко гипотетическая концепция. Прямое обнаружение одного или нескольких видов частиц темной материи, безусловно, поддержало бы эту идею. А астрономы в настоящее время разрабатывают способы наблюдения гравитационных волн, возникших в результате Большого взрыва, что дало бы нам прямой наблюдательный доступ к этой критической эпохе в истории Вселенной.

Между этими видами темной материи могут возникать всевозможные новые взаимодействия, ведущие к сложной сети физических явлений, невидимо действующих во Вселенной.